專(zhuān)利名稱(chēng)：化學(xué)氣相法淀積氮化鈦和銅金屬層大馬士革工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到利用化學(xué)汽相淀積(CVD)TiSiN阻擋層和Cu金屬薄膜，并在N2和H2氣氛中，對(duì)CVD淀積Cu金屬薄膜進(jìn)行退火處理，結(jié)合Cu化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，實(shí)現(xiàn)Cu大馬士革互聯(lián)結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)階段集成電路互聯(lián)主要是采用Al金屬布線(xiàn)，金屬布線(xiàn)在傳輸電信號(hào)的過(guò)程中，本身有串聯(lián)電阻和寄生電容存在。隨著器件設(shè)計(jì)規(guī)則的不斷縮小，線(xiàn)寬W不斷變小，同時(shí)，集成度的增加造成互聯(lián)線(xiàn)長(zhǎng)度進(jìn)一步加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致互聯(lián)線(xiàn)電阻的急劇上升。另一方面，金屬布線(xiàn)的寬度不斷縮小，使得互聯(lián)線(xiàn)之間的電容日益增大。從而導(dǎo)致RC互聯(lián)延遲的進(jìn)一步加大。因此，減少RC互連延遲成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
一方面，人們嘗試采用低介電材料來(lái)取代傳統(tǒng)的絕緣材料，以減小互連金屬間和線(xiàn)間電容。另一方面，積極尋找具有更小的電阻率和更高的抗電遷移能力的金屬，來(lái)代替已經(jīng)使用了幾十年的Al金屬。由于Cu金屬具有比Al更小的電阻率、更高的熔點(diǎn)、更低的熱膨脹系數(shù)。因而，Cu的導(dǎo)電性能和抗電遷移性能都大大優(yōu)越于Al金屬。自從1998年IBM率先在半導(dǎo)體生產(chǎn)線(xiàn)中引入Cu大馬士革加工技術(shù)，用Cu來(lái)代替Al多層金屬布線(xiàn)，從而大大減小互連電阻對(duì)集成電路的性能影響，使可靠性水平顯著提高，使Cu成為未來(lái)深亞微米器件的很有潛力的新型互聯(lián)金屬材料。
相對(duì)于傳統(tǒng)的Al工藝而言，Cu互聯(lián)技術(shù)是一種全新的工藝，加工設(shè)備和材料有很大變化。Cu大馬士革技術(shù)的不斷優(yōu)化，特別是刻蝕中止層(Etch-Stop)、低介電常數(shù)介質(zhì)淀積、通孔和連線(xiàn)槽光刻和刻蝕、Cu阻擋層淀積、Cu籽品和電鍍、Cu化學(xué)機(jī)械拋光以及后清洗工藝的不斷進(jìn)步，使得Cu工藝能適應(yīng)超大規(guī)模集成電路對(duì)極小的特征尺寸和很大的高寬比圖形的加工要求。
但是，Cu是一種重屬，在高溫和加電場(chǎng)的情況下，可以在半導(dǎo)體硅片和二氧化硅介質(zhì)中快速擴(kuò)散，引起器件可靠性方面的問(wèn)題。所以，在Cu和絕緣介質(zhì)之間，必須加上防止Cu擴(kuò)散的阻擋層材料，阻擋層的目的主要有兩個(gè)，第一是阻Cu金屬向介質(zhì)中的擴(kuò)散，第二是提高Cu和介質(zhì)的粘附性。此外，還要能承受后道加工高溫的考驗(yàn)，(通常Cu大馬士革加工流程溫度在300℃到420℃)，以及和常用低介電材料良好的兼容性，不改變低介電材料的化學(xué)性能，并能滿(mǎn)足化學(xué)機(jī)械拋光工藝(CMP)。
通常，對(duì)Cu阻擋層的要求包括以下幾方面1.阻擋層淀積要有良好的臺(tái)階覆蓋性，特別是對(duì)于高寬比(A/R)大于6的雙層大馬士革結(jié)構(gòu)，側(cè)壁和底部的臺(tái)階覆蓋是比較困難；2.阻擋層材料本身的體電阻阻擋層材料必須很低，以減小接觸電阻和Cu布線(xiàn)串聯(lián)電阻；3.與絕緣介質(zhì)層粘附性好，不易分離和脫落；是Cu的良好阻擋層，以防止Cu向絕緣介質(zhì)中擴(kuò)散，造成互聯(lián)線(xiàn)之間漏電；4.能經(jīng)受Cu后道加工工藝高溫的考驗(yàn)，通常Cu大馬士革加工流程溫度在300℃到420℃；5.和低介電材料兼容性好，不影響低介電材料的化學(xué)性能；6.物理特性滿(mǎn)足后續(xù)的化學(xué)機(jī)械拋光工藝要求。
Cu阻擋層一般采用物理汽相淀積(PVD)，主要原因有3點(diǎn)1.PVD淀積工藝成熟，并已經(jīng)在半導(dǎo)體工藝金屬化工藝中得到廣泛應(yīng)用；2.PVD投資費(fèi)用較少，加工成本低；3.代替PVD淀積阻擋層的設(shè)備和技術(shù)還在開(kāi)發(fā)之中。采用PVD淀積阻擋層，使得半導(dǎo)體工藝線(xiàn)能繼續(xù)使用現(xiàn)有的設(shè)備和工藝技術(shù)，減小設(shè)備額外的設(shè)備投資和新工藝開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間和費(fèi)用。特別是PVD設(shè)備的多腔室設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得添加新的加工腔體非常容易實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于深亞微米集成電路工藝而言，要求Cu阻擋層能在很大的高寬比(＞4∶1)的圖形中淀積薄的連續(xù)的阻擋層，這就對(duì)PVD淀積技術(shù)提出了更加苛刻的要求。長(zhǎng)程物理淀積的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，僅僅只是加大了靶到硅片的間距，這樣，濺射原子可以有效地聚集到硅片上。長(zhǎng)程物理淀積的局限性表現(xiàn)在薄膜的均勻性差，而且由于陰影效應(yīng)的影響，導(dǎo)致硅片靠近邊緣區(qū)域的圖形中側(cè)壁臺(tái)階覆蓋厚度不對(duì)稱(chēng)。
在考慮作為Cu阻擋層材料時(shí)，需要考慮阻擋材料對(duì)Cu的阻擋能力。在這方面，TiN不僅和Cu而且和多孔低介電常數(shù)(Low-к)介質(zhì)的粘附性好，在防止Cu和其他雜質(zhì)擴(kuò)散方面，TiN是良好的Cu阻擋擴(kuò)散材料，而TiN由于富含N，可以防止低介電材料中的F離子擴(kuò)散。對(duì)于未來(lái)深亞微米Cu多層金屬互聯(lián)工藝，阻擋層正朝著3重結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，例如TiSiN就是良好防止Cu擴(kuò)散的阻擋材料，因?yàn)樵赥iN晶格中中引入Si，使Si可以和N鍵精密相連，明顯改善擴(kuò)散阻擋層的性能，提高了TiSiN作為阻擋層的抗Cu擴(kuò)散和抗F擴(kuò)散能力。TiSiN的另一個(gè)特點(diǎn)是它與Cu金屬薄膜以及多孔低介電常數(shù)(Low-к)介質(zhì)的粘附性都很好，有利于提高Cu互聯(lián)金屬的抗電遷移水平。
由于阻擋層電阻率比Cu大，所以，化學(xué)電鍍Cu需要預(yù)先用物理淀積方法淀積一層Cu籽晶層，作為電鍍的導(dǎo)電層。而且，化學(xué)電鍍Cu的質(zhì)量還與這一層Cu籽晶的連續(xù)性和致密性、特別是臺(tái)階覆蓋性密切相關(guān)。但是，正如物理淀積阻擋層的情況一樣，物理淀積的局限性，導(dǎo)致淀積的Cu籽晶層在大馬士革結(jié)構(gòu)中的通孔側(cè)壁和底部無(wú)法覆蓋，電鍍Cu時(shí)就會(huì)出現(xiàn)Cu空洞。
與常用的物理淀積Cu籽晶和化學(xué)電鍍Cu金屬工藝相比較，化學(xué)汽相淀積方法淀積Cu金屬層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。第一，不需要Cu籽晶層；第二，CVD淀積具有良好的填孔性、保形性。第三，CVD淀積Cu薄膜的抗電遷移能力很強(qiáng)。通常淀積Cu薄膜方法是采用含Cu的有機(jī)物，例如(CF3COCHCF3CO)2Cu，用H2或者Ar氣攜帶進(jìn)入CVD系統(tǒng)中，雖然(CF3COCHCF3CO)2Cu可以直接分解生成Cu，但是淀積速率很低，質(zhì)量差，而進(jìn)入H2以后，能顯著提高淀積速率和得到質(zhì)量更好的Cu薄膜。為了得到均勻性好、電阻率低的Cu薄膜，溫度必須設(shè)定在320C-400C。而采用向心配合體含Cu有機(jī)物，例如CuI(hfac)L，在200C的溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成高質(zhì)量的純Cu薄膜，其他負(fù)產(chǎn)物也容易從表面去除。由于Cu互聯(lián)通常是和低介電常數(shù)(Low-к)介質(zhì)相結(jié)合使用，所以工作較低的工作溫度是人們選擇CuI(hfac)L淀積Cu金屬的主要原因。
本發(fā)明提出的淀積TiN和Cu金屬層的大馬士革工藝，是用化學(xué)氣相淀積方法連續(xù)淀積TiN阻擋層和Cu金屬薄膜，即在一臺(tái)多腔體設(shè)備中，依次連續(xù)淀積TiN擴(kuò)散阻擋層、Cu金屬薄膜；然后在H2-N2氣氛中進(jìn)行熱退火(RTP)處理，從而得到晶粒大小和電阻分布都很均勻的TiSiN阻擋層和Cu金屬薄膜。
本發(fā)明提出的工藝適合于以Cu金屬和SiO2介質(zhì)、Cu金屬和Low-k介質(zhì)相結(jié)合的大馬士革多層互聯(lián)工藝中，其特征是利用化學(xué)氣相淀積(CVD)方法，連續(xù)淀積TiN擴(kuò)散阻擋層和Cu金屬層。
本發(fā)明中，淀積TiN擴(kuò)散阻擋層可采用He氣體攜帶含Ti的化學(xué)物質(zhì)TDMA，在真空條件下，通過(guò)熱分解淀積一層TiN薄膜，進(jìn)行原位H2-N2射頻等離子處理，反復(fù)循環(huán)直至達(dá)到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN擴(kuò)散阻擋層。一般地，真空度可為1Torr-2Torr，熱分解溫度為400℃-450℃。
本發(fā)明中，淀積Cu金屬層采用含Cu有機(jī)物質(zhì)CuI(hafc)(vtms)在160℃-200℃的溫度下發(fā)生分解反應(yīng)，生成高質(zhì)量的純Cu薄膜，Cu膜厚為800nm-1200nm。
本發(fā)明中，最后采用快速熱退火處理(RTP)，溫度為200℃-250℃，N2和H2氣氛中，H2的流量比例可為8％-10％，對(duì)CVD淀積Cu金屬薄膜進(jìn)行退火處理，時(shí)間為20-40秒。
本發(fā)明由于采用化學(xué)氣相淀積方法連續(xù)淀積TiN阻擋層和Cu金屬薄膜工藝方法，因此具有優(yōu)越的填孔性、保形性、以及與絕緣介質(zhì)良好粘附性，工藝穩(wěn)定低，流程簡(jiǎn)單，結(jié)合Cu的化學(xué)機(jī)械拋光方法，可以制造出適合深亞微米超大規(guī)模集成電路Cu金屬大馬士革互聯(lián)布線(xiàn)結(jié)構(gòu)。
2、原位H2-N2射頻等離子處理，減小CVD淀積的TiN薄膜中碳，氧，和氫等雜質(zhì)的含量，降低電阻率，使TiN晶粒均勻生長(zhǎng)，并使TiN薄膜增密，提高膜厚均勻性。處理真空度為1.5Torr，時(shí)間為35秒。
3、循環(huán)使用工藝1和2，淀積35nm的TiN阻擋層材料。
4、化學(xué)汽相淀積Cu金屬薄膜利用含Cu的有機(jī)物CuI(hafc)(vtms)在溫度為180℃、真空度為1-3Torr條件下熱分解，生成純Cu薄膜，其化學(xué)反應(yīng)式為，淀積速率為200nm/min，Cu淀積厚度為1000nm。
5、在H2-N2氣氛中，用快速熱退火(RTP)對(duì)Cu進(jìn)行熱處理，以保證Cu膜的晶粒和電阻一致性，退火溫度250C，時(shí)間25秒。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)氣相法淀積氮化鈦和銅金屬層大馬士革工藝，其特征在于利用化學(xué)氣相淀積方法，依次連續(xù)淀積TiN擴(kuò)散阻擋層和Cu金屬層；然后在H2-N2氣氛中進(jìn)行熱退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述淀積TiN擴(kuò)散阻擋層是采用He氣體攜帶含Ti的化學(xué)物質(zhì)TDMA，在真空條件下，通過(guò)熱分解淀積一層TiN薄膜，并進(jìn)行原位H2-N2射頻等離子處理，反復(fù)循環(huán)直至達(dá)到30nm-50nm的TiN厚度，形成TiN擴(kuò)散阻擋層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于真空度為1Torr-2Torr，熱分解溫度為400℃-450℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于淀積Cu金屬層采用含Cu有機(jī)物質(zhì)CuI(hafc)(vtms)，在160℃-200℃的溫度下發(fā)生分解反應(yīng)，生成Cu薄膜，Cu膜厚為800nm-1200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于熱退火溫度為200℃-250℃，時(shí)間為20-40秒，N2和H2氣氛中，H2占比例為8％-10％。
全文摘要
本發(fā)明是一種化學(xué)氣相淀積氮化鈦和銅金屬層的大馬士革工藝，即在一臺(tái)多腔體真空設(shè)備中，依次連續(xù)淀積TiN擴(kuò)散阻擋層、Cu金屬薄膜，并在H
文檔編號(hào)H01L21/285GK1426092SQ03114708
公開(kāi)日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2003年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月2日
發(fā)明者徐小誠(chéng), 繆炳有 申請(qǐng)人:上海華虹(集團(tuán))有限公司